Controlling cellular organization is crucial in the biofabrication of tissue-engineered scaffolds, as it affects cell behavior as well as the functionality of mature tissue. Thus far, incorporation of physiochemical cues with cell-size resolution in three-dimensional (3D) scaffolds has proven to be a challenging strategy to direct the desired cellular organization. In this work, a rapid, simple, and cost-effective approach is developed for continuous printing of multicompartmental hydrogel fibers with intrinsic 3D microfilaments to control cellular orientation. A static mixer integrated into a coaxial microfluidic device is utilized to print alginate/gelatin-methacryloyl (GelMA) hydrogel fibers with patterned internal microtopographies. In the engineered microstructure, GelMA compartments provide a cell-favorable environment, while alginate compartments offer morphological and mechanical cues that direct the cellular orientation. It is demonstrated that the organization of the microtopographies, and consequently the cellular alignment, can be tailored by controlling flow parameters in the printing process. Despite the large diameter of the fibers, the precisely tuned internal microtopographies induce excellent cell spreading and alignment, which facilitate rapid cell proliferation and differentiation toward mature biofabricated constructs. This strategy can advance the engineering of functional tissues.

1.
S. M.
Naseer
,
A.
Manbachi
,
M.
Samandari
,
P.
Walch
,
Y.
Gao
,
Y. S.
Zhang
,
F.
Davoudi
,
W.
Wang
,
K.
Abrinia
, J. M. Cooper, A. Khademhosseini, and S. R. Shin,
Biofabrication
9
(
1
),
015020
(
2017
).
2.
G.
Trujillo-de Santiago
,
M. M.
Alvarez
,
M.
Samandari
,
G.
Prakash
,
G.
Chandrabhatla
,
P. I.
Rellstab-Sánchez
,
B.
Byambaa
,
P.
Pour Shahid Saeed Abadi
,
S.
Mandla
,
R. K.
Avery
,
A.
Vallejo-Arroyo
,
A.
Nasajpour
,
N.
Annabi
,
Y. S.
Zhang
, and
A.
Khademhosseini
,
Mater. Horiz.
5
(
5
),
813
822
(
2018
).
3.
T.
Turiv
,
J.
Krieger
,
G.
Babakhanova
,
H.
Yu
,
S. V.
Shiyanovskii
,
Q.-H.
Wei
,
M.-H.
Kim
, and
O. D.
Lavrentovich
,
Sci. Adv.
6
(
20
),
eaaz6485
(
2020
).
4.
S.
Zhang
,
X.
Liu
,
S. F.
Barreto-Ortiz
,
Y.
Yu
,
B. P.
Ginn
,
N. A.
DeSantis
,
D. L.
Hutton
,
W. L.
Grayson
,
F.-Z.
Cui
,
B. A.
Korgel
,
S.
Gerecht
, and
H.-Q.
Mao
,
Biomaterials
35
(
10
),
3243
3251
(
2014
).
5.
M.
Mirbagheri
,
V.
Adibnia
,
B. R.
Hughes
,
S. D.
Waldman
,
X.
Banquy
, and
D. K.
Hwang
,
Mater. Horiz.
6
(
1
),
45
71
(
2019
).
6.
T. E.
Brown
and
K. S.
Anseth
,
Chem. Soc. Rev.
46
(
21
),
6532
6552
(
2017
).
7.
M.
Nikkhah
,
J. S.
Strobl
,
R.
De Vita
, and
M.
Agah
,
Biomaterials
31
(
16
),
4552
4561
(
2010
).
8.
G.
Huang
,
F.
Li
,
X.
Zhao
,
Y.
Ma
,
Y.
Li
,
M.
Lin
,
G.
Jin
,
T. J.
Lu
,
G. M.
Genin
, and
F.
Xu
,
Chem. Rev.
117
(
20
),
12764
12850
(
2017
).
9.
J.
Leijten
,
J.
Seo
,
K.
Yue
,
G.
Trujillo-de Santiago
,
A.
Tamayol
,
G. U.
Ruiz-Esparza
,
S. R.
Shin
,
R.
Sharifi
,
I.
Noshadi
,
M. M.
Álvarez
,
Y. S.
Zhang
, and
A.
Khademhosseini
,
Mater. Sci. Eng.: R: Rep.
119
,
1
35
(
2017
).
10.
Y.
Luo
and
M. S.
Shoichet
,
Nat. Mater.
3
(
4
),
249
253
(
2004
).
11.
S.-H.
Lee
,
J. J.
Moon
, and
J. L.
West
,
Biomaterials
29
(
20
),
2962
2968
(
2008
).
12.
H.
Aubin
,
J. W.
Nichol
,
C. B.
Hutson
,
H.
Bae
,
A. L.
Sieminski
,
D. M.
Cropek
,
P.
Akhyari
, and
A.
Khademhosseini
,
Biomaterials
31
(
27
),
6941
6951
(
2010
).
13.
M.
Zhu
,
W.
Li
,
X.
Dong
,
X.
Yuan
,
A. C.
Midgley
,
H.
Chang
,
Y.
Wang
,
H.
Wang
,
K.
Wang
,
P. X.
Ma
,
H.
Wang
, and
D.
Kong
,
Nat. Commun.
10
(
1
),
4620
(
2019
).
14.
M.
Nikkhah
,
N.
Eshak
,
P.
Zorlutuna
,
N.
Annabi
,
M.
Castello
,
K.
Kim
,
A.
Dolatshahi-Pirouz
,
F.
Edalat
,
H.
Bae
,
Y.
Yang
, and
A.
Khademhosseini
,
Biomaterials
33
(
35
),
9009
9018
(
2012
).
15.
P.
Heher
,
B.
Maleiner
,
J.
Prüller
,
A. H.
Teuschl
,
J.
Kollmitzer
,
X.
Monforte
,
S.
Wolbank
,
H.
Redl
,
D.
Rünzler
, and
C.
Fuchs
,
Acta Biomater.
24
,
251
265
(
2015
).
16.
T.
Matsumoto
,
J.-I.
Sasaki
,
E.
Alsberg
,
H.
Egusa
,
H.
Yatani
, and
T.
Sohmura
,
PloS One
2
(
11
),
e1211
(
2007
).
17.
S.
Ahadian
,
J.
Ramón-Azcón
,
S.
Ostrovidov
,
G.
Camci-Unal
,
V.
Hosseini
,
H.
Kaji
,
K.
Ino
,
H.
Shiku
,
A.
Khademhosseini
, and
T.
Matsue
,
Lab on a Chip
12
(
18
),
3491
3503
(
2012
).
18.
K.
Donnelly
,
A.
Khodabukus
,
A.
Philp
,
L.
Deldicque
,
R. G.
Dennis
, and
K.
Baar
,
Tissue Eng. Part C Methods
16
(
4
),
711
718
(
2010
).
19.
S.
Ostrovidov
,
V.
Hosseini
,
S.
Ahadian
,
T.
Fujie
,
S. P.
Parthiban
,
M.
Ramalingam
,
H.
Bae
,
H.
Kaji
, and
A.
Khademhosseini
,
Tissue Eng. Part B Rev.
20
(
5
),
403
436
(
2014
).
20.
S.
Ostrovidov
,
S.
Salehi
,
M.
Costantini
,
K.
Suthiwanich
,
M.
Ebrahimi
,
R. B.
Sadeghian
,
T.
Fujie
,
X.
Shi
,
S.
Cannata
, and
C.
Gargioli
,
Small
15
(
24
),
1805530
(
2019
).
21.
S.
Jana
,
S. K. L.
Levengood
, and
M.
Zhang
,
Adv. Mater.
28
(
48
),
10588
10612
(
2016
).
22.
D.
Neal
,
M. S.
Sakar
,
L.-L. S.
Ong
, and
H. H.
Asada
,
Lab on a Chip
14
(
11
),
1907
1916
(
2014
).
23.
R. D.
Pedde
,
B.
Mirani
,
A.
Navaei
,
T.
Styan
,
S.
Wong
,
M.
Mehrali
,
A.
Thakur
,
N. K.
Mohtaram
,
A.
Bayati
, and
A.
Dolatshahi‐Pirouz
,
Adv. Mater.
29
(
19
),
1606061
(
2017
).
24.
A.
Tamayol
,
M.
Akbari
,
N.
Annabi
,
A.
Paul
,
A.
Khademhosseini
, and
D.
Juncker
,
Biotechnol. Adv.
31
(
5
),
669
687
(
2013
).
25.
M.
Costantini
,
S.
Testa
,
P.
Mozetic
,
A.
Barbetta
,
C.
Fuoco
,
E.
Fornetti
,
F.
Tamiro
,
S.
Bernardini
,
J.
Jaroszewicz
, and
W.
Święszkowski
,
Biomaterials
131
,
98
110
(
2017
).
26.
T. K.
Merceron
,
M.
Burt
,
Y.-J.
Seol
,
H.-W.
Kang
,
S. J.
Lee
,
J. J.
Yoo
, and
A.
Atala
,
Biofabrication
7
(
3
),
035003
(
2015
).
27.
H.-W.
Kang
,
S. J.
Lee
,
I. K.
Ko
,
C.
Kengla
,
J. J.
Yoo
, and
A.
Atala
,
Nat. Biotechnol.
34
(
3
),
312
(
2016
).
28.
H.
Onoe
,
T.
Okitsu
,
A.
Itou
,
M.
Kato-Negishi
,
R.
Gojo
,
D.
Kiriya
,
K.
Sato
,
S.
Miura
,
S.
Iwanaga
, and
K.
Kuribayashi-Shigetomi
,
Nat. Mater.
12
(
6
),
584
(
2013
).
29.
A.
Tamayol
,
A. H.
Najafabadi
,
B.
Aliakbarian
,
E.
Arab‐Tehrany
,
M.
Akbari
,
N.
Annabi
,
D.
Juncker
, and
A.
Khademhosseini
,
Adv. Healthcare Mater.
4
(
14
),
2146
2153
(
2015
).
30.
D.
Wei
,
J.
Sun
,
Y.
Yang
,
C.
Wu
,
S.
Chen
,
Z.
Guo
,
H.
Fan
and
X.
Zhang
,
Materials Today Chemistry
8
,
85
95
(
2018
).
31.
A.
Fallahi
,
I. K.
Yazdi
,
L.
Serex
,
E.
Lesha
,
N.
Faramarzi
,
F.
Tarlan
,
H.
Avci
,
R.
Costa-Almeida
,
F.
Sharifi
,
C.
Rinoldi
,
M. E.
Gomes
,
S. R.
Shin
,
A.
Khademhosseini
,
M.
Akbari
, and
A.
Tamayol
,
ACS Biomater. Sci. Eng.
6
(
2
),
1112
1123
(
2020
).
32.
W.
Liu
,
Z.
Zhong
,
N.
Hu
,
Y.
Zhou
,
L.
Maggio
,
A. K.
Miri
,
A.
Fragasso
,
X.
Jin
,
A.
Khademhosseini
, and
Y. S.
Zhang
,
Biofabrication
10
(
2
),
024102
(
2018
).
33.
K.
Yue
,
G.
Trujillo-de Santiago
,
M. M.
Alvarez
,
A.
Tamayol
,
N.
Annabi
, and
A.
Khademhosseini
,
Biomaterials
73
,
254
271
(
2015
).
34.
B. J.
Klotz
,
D.
Gawlitta
,
A. J. W. P.
Rosenberg
,
J.
Malda
, and
F. P. W.
Melchels
,
Trends Biotechnol.
34
(
5
),
394
407
(
2016
).
35.
G.
Ying
,
N.
Jiang
,
C.
Yu
, and
Y. S.
Zhang
,
Bio-Des. Manuf.
1
(
4
),
215
224
(
2018
).
36.
C.
Colosi
,
S. R.
Shin
,
V.
Manoharan
,
S.
Massa
,
M.
Costantini
,
A.
Barbetta
,
M. R.
Dokmeci
,
M.
Dentini
, and
A.
Khademhosseini
,
Adv. Mater.
28
(
4
),
677
684
(
2016
).
37.
K.
Zhu
,
N.
Chen
,
X.
Liu
,
X.
Mu
,
W.
Zhang
,
C.
Wang
, and
Y. S.
Zhang
,
Macromolecular Bioscience
18
(
9
),
1800127
(
2018
).
38.
K. Y.
Lee
and
D. J.
Mooney
,
Prog. Polym. Sci.
37
(
1
),
106
126
(
2012
).
39.
A. K.
Miri
,
I.
Mirzaee
,
S.
Hassan
,
S. M.
Oskui
,
D.
Nieto
,
A.
Khademhosseini
, and
Y. S.
Zhang
,
Lab on a Chip
19
(
11
),
2019
2037
(
2019
).
40.
D. M.
Hobbs
and
F. J.
Muzzio
,
Chem. Eng. J.
67
(
3
),
153
166
(
1997
).
41.
C.
Chávez-Madero
,
M. D.
de León-Derby
,
M.
Samandari
,
C. F.
Ceballos-González
,
E. J.
Bolívar-Monsalve
,
C.
Mendoza-Buenrostro
,
S.
Holmberg
,
N. A.
Garza-Flores
,
M. A.
Almajhadi
,
I.
González-Gamboa
,
J. F.
Yee-de León
,
S. O.
Martínez-Chapa
,
C. A.
Rodríguez
,
H. K.
Wickramasinghe
,
M.
Madou
,
D.
Dean
,
A.
Khademhosseini
,
Y. S.
Zhang
,
M. M.
Alvarez
, and
G.
Trujillo-de Santiago
,
Biofabrication
12
,
035023
(
2020
).
42.
M.
Samandari
,
F.
Alipanah
,
S.
Haghjooy Javanmard
, and
A.
Sanati-Nezhad
,
Sens. Actuators B Chem.
291
,
418
425
(
2019
).
43.
W.
Bian
,
B.
Liau
,
N.
Badie
, and
N.
Bursac
,
Nat. Protoc.
4
(
10
),
1522
(
2009
).
44.
W.
Bian
and
N.
Bursac
,
Biomaterials
30
(
7
),
1401
1412
(
2009
).
45.
G.
Agrawal
,
A.
Aung
, and
S.
Varghese
,
Lab on a Chip
17
(
20
),
3447
3461
(
2017
).
46.
H.
Liu
,
M.
Wu
,
Y.
Jia
,
L.
Niu
,
G.
Huang
, and
F.
Xu
,
NPG Asia Mater.
12
(
1
),
45
(
2020
).
47.
V.
Hosseini
,
S.
Ahadian
,
S.
Ostrovidov
,
G.
Camci-Unal
,
S.
Chen
,
H.
Kaji
,
M.
Ramalingam
, and
A.
Khademhosseini
,
Tissue Eng. Part A
18
(
23–24
),
2453
2465
(
2012
).
48.
P.
Bajaj
,
B.
Reddy
,
L.
Millet
,
C.
Wei
,
P.
Zorlutuna
,
G.
Bao
, and
R.
Bashir
,
Integr. Biol.
3
(
9
),
897
909
(
2011
).
49.
P. Y.
Wang
,
H. T.
Yu
, and
W. B.
Tsai
,
Biotechnol. Bioengineering
106
(
2
),
285
294
(
2010
).
50.
P. S.
Zammit
,
Semin Cell Dev. Biol.
72
,
19
32
(
2017
).
51.
Y. X.
Wang
and
M. A.
Rudnicki
,
Nat. Rev. Mol. Cell Biol.
13
(
2
),
127
(
2012
).
52.
T.
Braun
and
M.
Gautel
,
Nat. Rev. Mol. Cell Biol.
12
(
6
),
349
(
2011
).
53.
S. H.
Lim
and
H.-Q.
Mao
,
Adv. Drug Deliv. Rev.
61
(
12
),
1084
1096
(
2009
).
54.
S. V.
Murphy
and
A.
Atala
,
Nat. Biotechnol.
32
(
8
),
773
785
(
2014
).
55.
Z. F.
Bhat
,
S.
Kumar
, and
H.
Fayaz
,
J. Integr. Agriculture
14
(
2
),
241
248
(
2015
).
56.
J. W.
Nichol
,
S. T.
Koshy
,
H.
Bae
,
C. M.
Hwang
,
S.
Yamanlar
, and
A.
Khademhosseini
,
Biomaterials
31
(
21
),
5536
5544
(
2010
).
57.
J.
Schindelin
,
I.
Arganda-Carreras
,
E.
Frise
,
V.
Kaynig
,
M.
Longair
,
T.
Pietzsch
,
S.
Preibisch
,
C.
Rueden
,
S.
Saalfeld
,
B.
Schmid
,
J.-Y.
Tinevez
,
D. J.
White
,
V.
Hartenstein
,
K.
Eliceiri
,
P.
Tomancak
, and
A.
Cardona
,
Nat. Meth.
9
(
7
),
676
682
(
2012
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.